基于GPR的瀝青路面厚度檢測(cè)及均勻性評(píng)價(jià)*

陳雍春 于曉賀 楊川文

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 上海 200092； 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

瀝青路面厚度均勻性作為瀝青路面性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一，是用于評(píng)價(jià)瀝青路面厚度差異及離析程度的重要依據(jù)。瀝青路面厚度的不均勻，不僅會(huì)導(dǎo)致瀝青路面力學(xué)性能和使用性能降低，也會(huì)導(dǎo)致瀝青路面在荷載和雨水的作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的病害，縮短道路的使用壽命[1-2]。因此，采用合理的評(píng)價(jià)手段對(duì)瀝青路面厚度均勻性進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，可在一定程度上預(yù)防瀝青路面出現(xiàn)嚴(yán)重病害問題，對(duì)瀝青路面使用壽命的保障具有重要的意義[3-4]。

目前，我國(guó)通常采用鉆芯取樣的方式對(duì)瀝青路面的厚度均勻性進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，具有簡(jiǎn)便、直觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。但該種方法隨機(jī)選點(diǎn)，具有一定的主觀性，不能全覆蓋地對(duì)瀝青路面厚度均勻性進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)作為一種有損檢測(cè)方式，會(huì)破壞瀝青路面的結(jié)構(gòu)，具有較大的局限性[5-6]。探地雷達(dá)(ground penetrating radar，GPR)作為一種新型的無損檢測(cè)設(shè)備，利用超高頻電磁波的發(fā)射與接收技術(shù)作為核心技術(shù)，具有高效、快速、連續(xù)、成本低等優(yōu)勢(shì)，已成為道路無損檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分，具有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也為瀝青路面厚度均勻性評(píng)價(jià)提供了新的研究思路[7-8]。

本文依托于湖北省漢十高速公路襄陽北至王城收費(fèi)站路段，采用探地雷達(dá)對(duì)瀝青路面厚度均勻性進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)，同時(shí)以鉆芯取樣得到的結(jié)果作為對(duì)比，驗(yàn)證探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的精確性，從而實(shí)現(xiàn)完整、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，為采用探地雷達(dá)對(duì)瀝青路面厚度均勻性進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)提供了實(shí)際依據(jù)。

1 技術(shù)原理

1.1 探地雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)原理

探地雷達(dá)是利用超寬帶電磁波脈沖，在近地面狀態(tài)下進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)探測(cè)、道路病害分析等方面取得一定應(yīng)用的新型無損檢測(cè)設(shè)備，涵蓋了包括納秒脈沖源技術(shù)、瞬態(tài)電磁場(chǎng)理論、時(shí)域測(cè)量技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等多方面的技術(shù)成果，可以實(shí)現(xiàn)高效、快速地?zé)o損檢測(cè)，操作簡(jiǎn)便、高效，具有多方面的優(yōu)勢(shì)[9]。本研究采用的是武漢理工大學(xué)與美國(guó)德州農(nóng)機(jī)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的WB1-21型路用探地雷達(dá)無損檢測(cè)設(shè)備，與其他無損檢測(cè)設(shè)備相比，其在精確度及穩(wěn)定性方面等均有較大的優(yōu)勢(shì)。

探地雷達(dá)測(cè)量的基本原理是基于電磁波在各結(jié)構(gòu)層交界面處的反射時(shí)間及傳播速度而計(jì)算得到瀝青路面厚度。要計(jì)算得到某一結(jié)構(gòu)層的厚度，其關(guān)鍵在于確定電磁波在該結(jié)構(gòu)層的傳播情況，確定電磁波在該結(jié)構(gòu)層的傳播時(shí)間t及傳播速度v，通過式(1)計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)層的厚度h。

h=v·t

(1)

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v與結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)ε有關(guān)，可按照如式(2)計(jì)算得到。

(2)

式中：c為光速，取3×108m/s。

由式(2)可知，要得到電磁波在某一結(jié)構(gòu)層的傳播速度，首先要測(cè)得該結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)。

反射界面上、下兩結(jié)構(gòu)層之間的反射系數(shù)R與介電常數(shù)ε存在如式(3)所示的理論關(guān)系。

(3)

式中：ε1為上結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ε2為下結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；R為反射系數(shù)，為反射波幅A與全反射波幅A0的比值，R=A/A0。

電磁波進(jìn)入道路結(jié)構(gòu)層后，在空氣與第一結(jié)構(gòu)層的界面處第一次發(fā)生反射，由于空氣的介電常數(shù)為ε0=1 F/m，則第一結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)可以表示為

(4)

式中：ε1為第一結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；R0為空氣與第一結(jié)構(gòu)層交界面的反射系數(shù)；A1為空氣與第一結(jié)構(gòu)層交界面形成的反射波幅。

第二次反射位于第一、第二結(jié)構(gòu)層的交界面處，此時(shí)應(yīng)該考慮反射層的能量損失系數(shù)，可得第一、第二結(jié)構(gòu)層交界面的反射系數(shù)為

(5)

則可以得到第二結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)為

(6)

式中：ε2為第二層結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；R1為第一、第二結(jié)構(gòu)層交界面的反射系數(shù)；A2為第一、第二結(jié)構(gòu)層交界面形成的反射波幅。

同理可以類推得到不同結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)，從而可以計(jì)算得到電磁波在各結(jié)構(gòu)層中的傳播速度。由于電磁波在同一結(jié)構(gòu)層中的傳播時(shí)間為經(jīng)過2個(gè)結(jié)構(gòu)層厚度的時(shí)間(發(fā)出+返回)，則結(jié)構(gòu)層的厚度可以表示為

(7)

式中：Δt為電磁波在某結(jié)構(gòu)層中的總傳播時(shí)間，s。

由式(7)即可計(jì)算得到結(jié)構(gòu)層的厚度。同時(shí)基于以上方法，則可以根據(jù)檢測(cè)深度需要進(jìn)一步測(cè)量得到瀝青上、中、下面層及基層的厚度。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 基于探地雷達(dá)的瀝青路面厚度數(shù)據(jù)采集

2.1.1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過程

本文采用WB1-21型路用探地雷達(dá)無損檢測(cè)設(shè)備(見圖1)對(duì)漢十高速公路襄陽北至王城收費(fèi)站路段(K1149+450-K1223+450)的行車道進(jìn)行瀝青路面厚度數(shù)據(jù)采集。

圖1 WB1-21型路用探地雷達(dá)無損檢測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)采用的探地雷達(dá)檢測(cè)頻率為1 GHz，在保證測(cè)量深度的前提下能確保測(cè)量數(shù)據(jù)具有一定的精度，檢測(cè)時(shí)車速為60～80 km/h，在保證檢測(cè)效率的同時(shí)防止出現(xiàn)劇烈振動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)采集造成干擾。除外界天氣等因素對(duì)檢測(cè)過程的影響，應(yīng)盡可能保持檢測(cè)平穩(wěn)以防止檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

2.1.2瀝青路面厚度數(shù)據(jù)信息提取

本研究采用PaveCheck軟件對(duì)探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，采用“Both Side Tracking”和“Calculate All”指令對(duì)瀝青路面厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，其過程見圖2。圖2a)中黑色橫線即為瀝青面層與基層的交界面，選擇所示a-a斷面進(jìn)行計(jì)算，圖2b)中顯示計(jì)算得到瀝青面層的厚度為17.20 cm，其他斷面瀝青面層厚度計(jì)算方式類似。

圖2 瀝青路面厚度數(shù)據(jù)提取過程

2.2 基于現(xiàn)場(chǎng)芯樣的瀝青路面厚度檢測(cè)

2.2.1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用在探地雷達(dá)檢測(cè)路段鉆芯取樣的方式進(jìn)行驗(yàn)證，選取在樁號(hào)為K1119+500-K1201+500范圍內(nèi)行車道統(tǒng)一進(jìn)行鉆芯取樣，采用鉆芯機(jī)鉆取直徑為15 cm、深度大于20 cm的圓柱體芯樣，為保證試驗(yàn)結(jié)果的合理性，共鉆取完整芯樣20個(gè)。

2.2.2現(xiàn)場(chǎng)芯樣厚度測(cè)量試驗(yàn)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆取的20個(gè)芯樣樣本進(jìn)行厚度測(cè)量，精度計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后2位，統(tǒng)計(jì)20個(gè)現(xiàn)場(chǎng)芯樣的厚度信息，整理見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)芯樣厚度測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

2.3 探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證探地雷達(dá)測(cè)量得到的瀝青路面厚度數(shù)據(jù)的可靠性，采用對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)芯樣厚度測(cè)量數(shù)據(jù)及探地雷達(dá)厚度計(jì)算數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)計(jì)算二者的差異值，得到二者厚度對(duì)比圖及厚度偏差值結(jié)果分別見圖3、圖4。

圖3 各組實(shí)測(cè)厚度與計(jì)算厚度對(duì)比柱狀圖

圖4 各組厚度偏差值統(tǒng)計(jì)圖

由表1、圖3、圖4可得，由現(xiàn)場(chǎng)芯樣測(cè)量得到的瀝青路面平均厚度為17.05 cm，而由探地雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的瀝青路面平均厚度為17.00 cm，平均偏差為-0.05 cm，計(jì)算檢測(cè)精度為99.7%，平均相對(duì)偏差為0.3%，表明該試驗(yàn)結(jié)果具有較高的精確性，證明采用探地雷達(dá)無損檢測(cè)設(shè)備測(cè)量瀝青路面厚度的方法具有較高的精確度，為瀝青路面厚度測(cè)量提供了新的思路和技術(shù)支持。

2.4 漢十高速公路瀝青路面厚度均勻性評(píng)價(jià)

由以上研究可知，探地雷達(dá)測(cè)量瀝青路面厚度具有較高的精確性，因此采用探地雷達(dá)對(duì)漢十高速公路孝襄段中襄陽北至王城收費(fèi)站路段共74 km高速公路進(jìn)行瀝青路面厚度均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料顯示，漢十高速公路襄陽北至王城路段瀝青路面設(shè)計(jì)總厚度為18 cm，瀝青上、中、下面層分別厚為4，6，8 cm，以1 km作為基本單位，提取漢十高速公路孝襄段中襄陽北至王城收費(fèi)站74 km中共74個(gè)瀝青路面厚度數(shù)據(jù)，以襄陽北為起始點(diǎn)，可得散點(diǎn)圖見圖5。

圖5 瀝青路面厚度散點(diǎn)圖

由圖5計(jì)算可知，漢十高速公路襄陽北至王城收費(fèi)站瀝青路面厚度最厚為18.20 cm，最薄為13.61 cm，瀝青路面平均厚度為17.03 cm，變異系數(shù)為5.63%，與瀝青路面設(shè)計(jì)厚度相比最大差異變化為24.39%。由于變異系數(shù)小于15%，可以說明該路段瀝青路面的厚度變異情況較好，但與瀝青路面設(shè)計(jì)厚度為18 cm相比，瀝青路面厚度達(dá)標(biāo)率僅為12.16%。其原因在于大部分路段由于投入運(yùn)營(yíng)后經(jīng)過車輛荷載作用和瀝青路面表面的磨耗，瀝青路面的實(shí)際厚度比設(shè)計(jì)值較小，而部分超過18 cm的瀝青路面是由于車輛荷載擠壓，出現(xiàn)車轍等病害情況，瀝青路面出現(xiàn)“波浪形”的不平整情況。針對(duì)部分瀝青路面厚度差異較大的情況，需要結(jié)合養(yǎng)護(hù)歷史，分析其是否存在隱藏裂縫和路基脫空等情況，從而決定養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)和養(yǎng)護(hù)手段，保障行車安全性。

3 結(jié)語

本文依托于漢十高速公路孝襄段，采用探地雷達(dá)對(duì)瀝青路面厚度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)芯樣驗(yàn)證探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)之上對(duì)瀝青路面厚度均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到如下主要結(jié)論。

1) 探地雷達(dá)檢測(cè)和鉆芯取樣得到的瀝青路面厚度數(shù)據(jù)對(duì)比，可知探地雷達(dá)的檢測(cè)精度為99.7%，平均相對(duì)偏差為0.3%，證明探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果具有較高的檢測(cè)精度，可以作為對(duì)瀝青路面厚度檢測(cè)及均勻性評(píng)價(jià)的有效手段。

2) 依據(jù)漢十高速公路襄陽北至王城收費(fèi)站路段雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，瀝青路面的厚度平均值為17.03 cm，小于瀝青路面的設(shè)計(jì)厚度，達(dá)標(biāo)率僅為12.16%，其中瀝青路面厚度最厚為18.20 cm，最薄為13.61 cm，這與瀝青路面在營(yíng)運(yùn)期的車輛荷載作用和瀝青路面表面磨耗具有一定聯(lián)系，需要繼續(xù)對(duì)瀝青路面厚度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3) 對(duì)瀝青路面厚度均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以發(fā)現(xiàn)其變異系數(shù)為5.63%，但與瀝青路面設(shè)計(jì)厚度相比最大差異變化率為24.39%，說明整體而言瀝青路面厚度均勻性情況良好，但局部不均勻性的問題依然存在，需要對(duì)該位置進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)，以防出現(xiàn)脫空、沉陷等病害影響行車安全。